Các nhà khoa học báo cáo sự hình thành của các phân cực sóng vật chất trong một mạng tinh thể quang học, một khám phá thử nghiệm cho phép các nghiên cứu về mô hình khoa học và công nghệ lượng tử trung tâm thông qua mô phỏng lượng tử trực tiếp sử dụng các nguyên tử siêu lạnh.
Khám phá các phân cực sóng vật chất đã tạo ra ánh sáng mới cho công nghệ lượng tử quang tử
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Physics cung cấp một nền tảng mới cho 'cuộc cách mạng lượng tử lần thứ hai.'
Sự phát triển của các nền tảng thử nghiệm thúc đẩy lĩnh vực khoa học và công nghệ lượng tử (QIST) đi kèm với một loạt các lợi thế và thách thức chung đối với bất kỳ công nghệ mới nổi nào. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stony Brook, dẫn đầu bởi Tiến sĩ Dominik Schneble, báo cáo sự hình thành các phân cực sóng vật chất trong mạng tinh thể quang học, một khám phá thử nghiệm cho phép nghiên cứu mô hình QIST trung tâm thông qua mô phỏng lượng tử trực tiếp sử dụng các nguyên tử siêu lạnh. Các nhà khoa học dự đoán rằng các chuẩn hạt mới của họ, bắt chước các photon tương tác mạnh trong vật liệu và thiết bị nhưng vượt qua một số thách thức cố hữu, sẽ mang lại lợi ích cho sự phát triển hơn nữa của các nền tảng QIST đã sẵn sàng cách mạng hóa công nghệ điện toán và truyền thông.
Kết quả nghiên cứu được trình bày chi tiết trong một bài báo đăng trên tạp chí Vật lý tự nhiên.
Nghiên cứu làm sáng tỏ các đặc tính cơ bản của các polariton và các hiện tượng nhiều cơ liên quan, và nó mở ra những khả năng mới cho các nghiên cứu về vật chất lượng tử phân cực.
Một thách thức quan trọng khi làm việc với các nền tảng QIST dựa trên photon là trong khi các photon có thể là vật mang thông tin lượng tử lý tưởng thì chúng thường không tương tác với nhau. Sự vắng mặt của các tương tác như vậy cũng ức chế sự trao đổi thông tin lượng tử có kiểm soát giữa chúng. Các nhà khoa học đã tìm ra cách giải quyết vấn đề này bằng cách ghép các photon với các kích thích nặng hơn trong vật liệu, do đó hình thành các phân cực, giống chimera lai giữa ánh sáng và vật chất. Sự va chạm giữa các chuẩn hạt nặng hơn này khiến các photon có thể tương tác hiệu quả. Điều này có thể cho phép thực hiện các hoạt động cổng lượng tử dựa trên photon và cuối cùng của toàn bộ cơ sở hạ tầng QIST.
Tuy nhiên, một thách thức lớn là thời gian tồn tại hạn chế của các phân cực dựa trên photon này do sự liên kết bức xạ của chúng với môi trường, dẫn đến sự phân rã và suy giảm liên kết tự phát không kiểm soát được.
Một kết xuất nghệ thuật của các kết quả nghiên cứu trong nghiên cứu polariton cho thấy các nguyên tử trong một mạng tinh thể quang học tạo thành một pha cách điện (trái); nguyên tử biến thành các phân cực sóng vật chất thông qua khớp nối chân không trung gian bởi bức xạ vi sóng được biểu thị bằng màu xanh lục (trung tâm); các phân cực trở nên di động và tạo thành pha siêu lỏng để ghép chân không mạnh (phải). Nhà cung cấp hình ảnh: Alfonso Lanuza / Phòng thí nghiệm Schneble / Đại học Stony Brook.
Theo Schneble và các đồng nghiệp, nghiên cứu về polariton được công bố của họ đã hoàn toàn tránh được những hạn chế do phân rã tự phát gây ra. Các khía cạnh photon của các phân cực của chúng hoàn toàn được mang bởi các sóng vật chất nguyên tử, mà các quá trình phân rã không mong muốn như vậy không tồn tại. Tính năng này mở ra quyền truy cập vào các chế độ tham số chưa hoặc chưa có trong các hệ thống phân cực dựa trên photon.
Schneble nói: “Sự phát triển của cơ học lượng tử đã thống trị thế kỷ trước, và một 'cuộc cách mạng lượng tử thứ hai' hướng tới sự phát triển của QIST và các ứng dụng của nó đang được tiến hành tốt trên toàn cầu, bao gồm cả các tập đoàn như IBM, Google và Amazon. một Giáo sư tại Khoa Vật lý và Thiên văn của Trường Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học. “Công trình của chúng tôi nêu bật một số hiệu ứng cơ lượng tử cơ bản được quan tâm đối với các hệ lượng tử quang tử mới nổi trong QIST, từ quang âm nano bán dẫn đến điện động lực học lượng tử mạch.”
Các nhà nghiên cứu Stony Brook đã tiến hành các thí nghiệm của họ với một nền tảng có các nguyên tử cực lạnh trong một mạng tinh thể quang học, một cảnh quan tiềm năng giống như cái thùng trứng được hình thành bởi các sóng ánh sáng đứng. Sử dụng một thiết bị chân không chuyên dụng có các tia laser và trường điều khiển khác nhau và hoạt động ở nhiệt độ nanokelvin, họ đã thực hiện một kịch bản trong đó các nguyên tử bị mắc kẹt trong mạng tinh thể tự “mặc” các đám mây kích thích chân không tạo thành từ các sóng vật chất dễ vỡ, phát sáng.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng, kết quả là các hạt phân cực trở nên di động hơn nhiều. Các nhà nghiên cứu đã có thể thăm dò trực tiếp cấu trúc bên trong của chúng bằng cách lắc nhẹ mạng tinh thể, do đó có thể tiếp cận các đóng góp của sóng vật chất và kích thích mạng nguyên tử. Khi được để yên, các phân cực sóng vật chất nhảy qua mạng tinh thể, tương tác với nhau và tạo thành các pha ổn định của vật chất quasiparticle.
Schneble giải thích: “Với thí nghiệm của mình, chúng tôi đã thực hiện một mô phỏng lượng tử của một hệ thống exciton-polariton trong một chế độ mới. “Nhiệm vụ để thực hiện như vậy analogue’ simulations, which in addition areanalog` theo nghĩa là các tham số liên quan có thể được quay số một cách tự do, tự nó tạo thành một hướng quan trọng trong QIST. ”
Tham khảo: “Sự hình thành các phân cực sóng vật chất trong một mạng tinh thể quang học” của Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza và Dominik Schneble, 31 tháng 2022 năm XNUMX, Vật lý tự nhiên.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Nghiên cứu của Stony Brook bao gồm các nghiên cứu sinh Joonhyuk Kwon (hiện là postdoc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia), Youngshin Kim và Alfonso Lanuza.
Công trình được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (cấp # NSF PHY-1912546) cùng với nguồn vốn bổ sung từ Trung tâm Khoa học Thông tin Lượng tử SUNY trên Long Island.
